1. 研究目的与意义（文献综述）

燃料电池因无污染、高效率、低噪音、可靠性强、供电性能更加稳定等优点，逐渐成为21世纪最有前途的“绿色能源”，所以把燃料电池作为船舶的电力推进应用于实船具有很广阔的前景。研究表明，燃料电池运行参数如温度和湿度，对提高燃料电池的性能和寿命起着至关重要的作用。对燃料电池的温度、湿度等参数的控制也是目前研究的重点之一。目前船舶推进市场主要份额仍然由柴油发动机主宰，占据了功率和设备容量的９５％．燃气轮机在过去的几十年里也曾占据航运市场的重要地位．由于燃料电池的局限性，其开发和应用对于商用水面船舶来说相对滞后

和传统火力发电引擎如柴油发动机和燃气轮机相比，燃料电池的优点简要比较总结如下．

１）高效率 燃料电池转换效率（从输入燃料到输出电）通 常 能 达 到４０％～５０％．当热 电 组 合应用时，系统效率可以达到６０％～７０％．

２）低排放 比如质子交换膜燃料电池，在燃料改良中将不符合要求的成分从燃料中被去除，燃料电池本身的排放可以忽略不计．同时燃料电池系统氮氧化物排放比常规火电系统要低得多．

３）低噪声 因为燃料电池没有移动部件，唯一的声源只包括泵、风扇、压缩机等辅助设备．与

内燃机相比，燃料电池堆可以安置在任何地方，甚至接近乘客、船员休息舱．

４）模块化／部分负荷性能好 因为燃料电池堆的效率很大程度上取决于电池的特点，燃料电

池系统的效率和系统的大小无关．因此，可以通过一定范围的负载即加载３０％～１００％的额定功率输出，可以维持燃料电池系统的效率．因此，燃料电池可以运用于经常改变电力需求的船舶，例如

渡轮或离岸供应船舶．此外，可以模块化制造燃料电池．燃料电池系统应用于电气设备时，可以很方

便增加其容量大小，以匹配负载的要求．

５）燃料选择的多样性 燃料电池可选用多种燃料，如纯氢、天然气、甲醇、石脑油、液态烃燃料、煤气甚至生物质衍生燃料．低温燃料电池质子交换膜燃料电池需要非常纯粹 Ｈ２，而高温燃料电池则对燃料要求较低，可以直接使用天然气．

６）操作、维护成本低 与内燃机 相 比，燃 料电池操作简单，甚至可以无人操作．无需润滑油，运行和维护成本低于柴油发动机

美国海岸警卫 队 对 燃 料 电 池 应 用 于 小 型 艇 进 行 了 研究，如 四 台 柴 油 发 电 机 组，直 流 电 动 机 驱 动 的ＣＧＣＶｉｎｄｉｃａｔｏｒ艇、单体 船．对 其 结 构、电 气、燃料供给、排气管理和其他组件作相应变动，移走柴油发 电 机 组，安 装 ４ 台熔融碳酸盐燃料电池组（６２５ｋＷ／每堆，总共２．５ＭＷ）．一台燃料转化器将符合 ＮＡＴＯ 标准的低硫 Ｆ－７６柴油转化成氢和二氧化碳。相对于传统的柴油机，燃料电池有特定优势．然而 至 今，大部分工作都是致力于陆用开发，如ＳＯＦＣ用于电站，ＰＥＭＦＣ用于运输工具．再者，有限的船用也主要是集中在军用相关领域．目前只有诸如瑞士、德国和美国等几个国家应用于小型船，特别是应用于游艇 船用燃料电池新技术的应用案例研究表明，需要设计和开发未来航运需要的燃料电池，特别是用于水面商用船舶的．这样，很多船舶可以把燃料电池当作可用的能量来源，从而广泛应用于客船、渡轮、集装箱船和储气船．燃料电池有卓越的排 放 性 能，有利于在环境敏感的区域使用，然而，在瞬时响应和可靠性、安全性方面，还有待更加深入的研究

综上所述，我认为在未来燃料电池会替代传统内燃机成为船舶推进系统的主要动力来源，所以对其安全的监控与检测显得尤为重要。通过对燃料电池系统模块、燃料电池系统上船的适应性和安全性以及燃料电池相关配套系统的研究，我们看到了氢燃料电池作为船舶电源的良好前景；根据燃料电池系统配置要求，设计出一套能够应用于船舶的燃料电池系统，并对电堆系统的性能进行测试，展示了电堆系统的性能及待解决的问题。

2. 研究的基本内容与方案

氢系统安全监控主要是对储氢瓶系统、乘客舱、燃料电池发动机系统以及尾气排放处的氢气泄漏、 系统压力、系统温度、电气元件及其他器件进行实时监控，确保燃料电池在加氢、用氢过程中的安全。氢气安全监控系统主要包括氢系统控制器、氢气泄漏传感器、温度传感器和压力传感器等元器件。氢系统控制器在工作过程中，监控氢瓶及氢管路安全、氢气泄漏状态及运行状态，只要出现异常，随时主动关闭供氢系统，保证燃料电池安全。 氢气泄漏监控。在储氢瓶口、乘客舱及燃料电池 发动机系统易于聚集和泄漏处均放置多个氢气泄漏传感器[6]，实时监测车内的氢含量，一旦发生氢泄漏立即采取响应处置。而且当有任何一个传感器检测到的氢气体积浓度超过氢爆炸下限（空气中的氢体积含量为4 ％）的10 ％、25 ％和 50 ％时[7]，监控器会分 别发出 I 级、II 级、III 级声光报警信号加注安全监控与防护。氢系统加氢时，当氢系统控制器检测到氢瓶内压力超过设定的加注压力或低于设定的低压值时，立即向管路系统和加氢机发送停止加氢及氢瓶压力过高或过低的报警信息。另外，加氢枪安装了温度传感器及压力传感器，同时还具有过电压保护、环境温度补偿、软管拉断裂保护及优先顺序 加气控制系统等功能。 氢瓶温度监控。当氢系统控制器检测到气瓶的温度超过或低于设定温度时，立即关闭电磁阀，并将氢瓶内温度过高或过低的报警信息发送给整车管路系统 和加氢机请求结束正常工作，同时信息提示故障气瓶编号，通过声光报警方式通知驾驶员，立即采取相应措施。 供氢时管路压力监控。当车载氢系统供氢时，氢系统控制器检测低压压力超过或低于设定值时，立即关断电磁阀，并将管路超压或管路低压的报警信息发送给管理系统请求结束正常工作，同时声光报警提示驾驶员采取必要措施。 电气元件短路监控。氢系统控制器到电气元件发生短路时，立即关闭氢系统所有电磁阀并使氢系统断电，同时通过声光报警提示驾驶员氢系统短路，采取相 应的安全措施。氢系统的防护措施，主要是对高压储氢瓶及氢气管 路进行安全设计，安装各种安全设施。氢系统功能 框图如图 2 所示，燃料电池的氢系统安全防护体系是由排空管、安全阀、手动截止阀、单向阀、泄压球阀、碰撞传感器、温度传感器、压力传感器、电磁阀、碰撞传感 器等构成，并在监控系统中设定相应的防护值，一旦发生异常状况，则通过氢系统控制器将各种监控信息传递给各种安全设施，及时断开或关闭，使燃料电池汽车处于安全状态。氢系统的安全设施主要功能如下：气瓶安全阀。当储氢瓶氢气压力超过设定值后 能自动泄压。如瓶体温度由于某种原因突然升高造成瓶 内气体压力升高，当压力超过安全阀设定值时，安全阀 自动泄压，保证气瓶在安全的工作压力范围之内。 温度传感器。通过气体温度的变化判断外界是 否有异常情况发生。如果气体温度突然急剧上升，若非温度传感器故障，则在气瓶周围可能有火警发生，可通过氢系统控制器立即报警。气瓶电磁阀。气瓶电磁阀为12V直流电源驱动，无电源时处于常闭状态，主要起开关气瓶的作用，与氢气泄漏报警系统联动。当系统正常通电工作时，电池阀处于开启状态，一旦泄漏氢气浓度达到保护值则自动关闭，从而达到切断氢源的目的。 手动截止阀。通常处于常开状态，当气瓶电磁阀 失效时可以手动切断氢源。电磁阀和手动截止阀联合作用，可有效避免氢气泄漏。 压力传感器。用于判断气瓶中剩余氢气量，保证正常行驶。当压力低于某值时可以提示驾驶员加注氢气。 加气口。在加注时与加氢机的加气枪相连，具有单向阀的功能。 单向阀。在加气口损坏时，阻止气体向外泄漏。管路电磁阀。在给氢气瓶充气时，可有效防止气体进入燃料电池。 减压阀。将氢气的压力调节到燃料电池所需要的压力。当出现异常情况，可以与针阀、安全阀联动将氢气瓶中的残余氢气安全放空。 热熔栓。设置在高压氢瓶内，可防止周边着火 导致氢瓶发生爆炸。一旦温度传感器检测到储氢瓶周边 温度过高，则氢瓶内的热熔栓将熔化，使氢气低流速释放。如果周边有火源，只出现氢气缓慢燃烧而避免爆燃情况发生。

3. 研究计划与安排

主要工作任务及要求：

1、文献阅读及翻译 3.29

2、燃料电池发动机安全监控软件总体设计 4.15

4. 参考文献（12篇以上）

1、《燃料电池基础》2007年电子工业出版社出版，作者（美）奥海尔。
2、《计算机控制系统》2015年清华大学出版社 作者:何克钟
3、《基于labview与can总线通讯的燃料电池监控系统设计》，电源技术. 2018.7 vol.42 no.7

4、《燃料电池监控系统的构建与控制算法研究》，林焕新，华南理工大学硕士论文，2011年

5、《review on hydrogen fuel cell condition monitoring and prediction methods》，international journal of hydrogen energy (2018)